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Index de Fredholm

1903
  • Erik Ivar Fredholm
Mathematician's desk with functional analysis materials and equations on Fredholm index.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

L'indice de Fredholm généralise théorème du rang-nullité aux espaces de dimension infinie comme les espaces de Banach. Pour un opérateur de Fredholm [latex]T: X to Y[/latex], son indice est défini par [latex]text{ind}(T) = dim(ker(T)) – dim(text{coker}(T))[/latex], où la dimension du co-noyau mesure l'écart entre l'image et l'espace entier. Cet indice est un entier stable sous de petites perturbations de l'opérateur.

Le théorème du rang-noyau, [latex]dim(V) – text{rang}(T) = text{noyau}(T)[/latex], est valable pour les applications linéaires entre espaces vectoriels de dimension finie. Dans ce contexte, [latex]dim(V) – text{rang}(T)[/latex] est la dimension du conoyau, [latex]text{conoyau}(T) = W/text{im}(T)[/latex]. Ainsi, le théorème peut s'écrire [latex]dim(noyau(T)) – dim(noyau}(T)) = 0[/latex]. L'indice de Fredholm étend cette idée aux opérateurs de Fredholm, qui sont des opérateurs linéaires bornés entre espaces de Banach dont le noyau et le conoyau sont tous deux de dimension finie.

Pour un tel opérateur [latex]T: X to Y[/latex], l'indice de Fredholm est [latex]text{ind}(T) = dim(ker(T)) – dim(text{coker}(T))[/latex]. Contrairement au cas de dimension finie où cette différence est toujours nulle, pour les espaces de dimension infinie, l'indice peut être n'importe quel entier. Une propriété essentielle de l'indice est sa stabilité : il ne change pas sous l'effet de perturbations compactes de l'opérateur. Cela signifie que si [latex]K[/latex] est un opérateur compact, alors [latex]text{ind}(T+K) = text{ind}(T)[/latex].

Le concept de conoyau est crucial pour cette généralisation. Pour une application T : X → Y, l'image im(T) est un sous-espace du codomaine Y. Le conoyau, conoyau(T), est l'espace quotient Y / im(T). Sa dimension mesure le nombre de directions indépendantes de Y qui ne sont pas atteintes par T. En dimension finie, le théorème du rang implique dim(conoyau(T)) = dim(conoyau(T)). En dimension infinie, cette égalité n'est plus vérifiée, mais la différence entre ces deux dimensions finies reste un entier stable, l'indice de Fredholm.

Cette stabilité confère à l'indice une importance capitale en tant qu'invariant topologique. Il joue un rôle central dans le théorème de l'indice d'Atiyah-Singer, l'un des résultats les plus profonds des mathématiques du XXe siècle, qui relie l'indice analytique d'un opérateur différentiel sur une variété compacte aux invariants topologiques de cette variété. Ce théorème comble le fossé entre l'analyse et la topologie, avec des conséquences majeures en physique théorique et en géométrie.

UNESCO Nomenclature: 1202
- Analyse

Taper

Système abstrait

Perturbation

Substantiel

Usage

Créneau/spécialité

Précurseurs

  • Théorème de nullité du rang pour les espaces de dimension finie.
  • théorie des équations intégrales développée par Vito Volterra et Erik Ivar Fredholm.
  • Développement de l'analyse fonctionnelle et du concept d'espaces de Banach par Stefan Banach.
  • théorie des opérateurs compacts.
  • Les travaux de Fritz Noether sur les équations intégrales singulières, qui ont introduit le concept d'indice.

Applications

  • Théorème de l'indice d'Atiyah-Singer en géométrie différentielle et topologie.
  • théorie quantique des champs.
  • théorie spectrale des opérateurs.
  • étudier la résolubilité des équations aux dérivées partielles.
  • k-théorie en topologie algébrique.

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

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Lié à : indice de Fredholm, analyse fonctionnelle, espace de Banach, opérateur de Fredholm, noyau, co-noyau, théorème de l'indice d'Atiyah-Singer, théorie des opérateurs, invariant topologique, dimension infinie.

Contexte historique

Index de Fredholm

1884
1896
1900
1903
1914
1924
1925
1854
1895
1899
1900
1911
1922
1925
1928

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

Inventions, innovations et principes techniques connexes

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